Previous research on pounding between seismically isolated buildings during earthquakes has been focused on impacts at the bases of structures and the effect of simultaneous interactions at the bases and at the superstructures has not been studied in details. In this paper, the seismic responses of adjacent buildings supported on different or similar base systems considering impacts between bases and superstructures are numerically investigated. The study is carried out in three parts for the two types of adjacent buildings: (i) both structures have fixed bases; (ii) one structure has fixed base and the other is seismically isolated and (iii) both structures have base isolation systems. The results of the study indicate that the pounding-involved responses of the buildings depend mainly on the type of structural base systems and on the structural parameters of both buildings. For the base-isolated building, the variation of the peak accelerations and displacements of the storeys have been found to be relatively low. On the other hand, significant differences have been observed for the fixed base building. The results of the parametric study conducted for different values of the gap size between colliding structures show the reduction in the peak base displacements as the gap distance decreases.
The possibility of earthquakes in vulnerable regions indicates that efficient technique is required for seismic protection of buildings. During the recent decades, the concept is moving towards the insertion of base isolation on seismic prone buildings. So, investigation of structural behavior is a burning topic for buildings to be isolated in base level by bearing device. This study deals with the incorporation of base isolation system and focuses the changes of structural responses for different types of Lead Rubber Bearing (LRB) isolators. A number of sixteen model buildings have been simulated selecting twelve types of bearing systems as well as conventional fixed-base (FB) scheme. The superstructures of the high-rise buildings are represented by finite element assemblage adopting multi-degree of freedoms. Static and dynamic analyses are carried out for FB and base isolated (BI) buildings. The dynamic analysis in finite element package has been performed by the nonlinear time history analysis (THA) based on the site-specific seismic excitation and compared employing eminent earthquakes. The influence of the model type and the alteration in superstructure behavior of the isolated buildings have been duly assessed. The results of the 3D multistory structures show that the lateral forces, displacement, inertia and story accelerations of the superstructure of the seismic prone buildings are significantly reduced due to bearing insertion. The nonlinear dynamic analysis shows 12 to 40% lessening in base shear when LRB is incorporated leading to substantial allowance of horizontal displacement. It is revealed that the LRB isolators might be potential options to diminish the respective floor accelerations, inertia, displacements and base shear whatever the condition coincides. The isolators with lower force intercept but higher isolation period is found to be better for decreasing base shear, floor acceleration and inertia force leading to reduction of structural and non-structural damage. However, LRB with lower isolator period seems to be more effective in dropping displacement at bearing interface aimed at reducing horizontal shift of building structure.
Strategic structures are a potential target of the growing terrorist attacks, so their performance under explosion hazard has been paid attention by researchers in the last years. In this regard, the aim of this study is to evaluate the blast-resistance performance of lead-rubber bearing (LRB) base isolation system based on a probabilistic framework while uncertainties related to the charge weight and standoff distance have been taken into account. A sensitivity analysis is first performed to show the effect of explosion uncertainty on the response of base-isolated buildings. The blast fragility curve is then developed for three base-isolated steel moment-resisting buildings with different heights of 4, 8 and 12 stories. The results of sensitivity analysis show that although LRB has the capability of reducing the peak response of buildings under explosion hazard, this control system may lead to increase in the peak response of buildings under some explosion scenarios. This shows the high importance of probabilistic-based assessment of isolated structures under explosion hazard. The blast fragility analysis shows effective performance of LRB in mitigating the probability of failure of buildings. Therefore, LRB can be introduced as effective control system for the protection of buildings from explosion hazard regarding uncertainty effect.
This paper presents a response spectrum analysis procedure suitable for base isolated regular buildings subjected to near fault ground motions. This procedure is based on the fact that the isolation system may be treated separately since the superstructure behaves as a rigid body on well selected isolation systems. The base isolated building is decomposed into several single-degree of freedom systems, the first one having the total weight of the building is isolated while the remainder when superposed they replicate approximately the behavior of the superstructure. The response of the isolation system is governed by a response spectrum generated for a single isolated mass. The concept of the procedure and its application for the analysis of base isolated structures is illustrated with an example. The present analysis procedure is shown to be accurate enough for the preliminary design and overcomes the limits of applicability of the conventional linear response spectrum analysis.
Base isolation is a well-established passive strategy for seismic response control of buildings. In this paper, an efficient framework is proposed for reliability-based design optimization (RBDO) of isolated buildings subjected to uncertain earthquakes. The framework uses reduced function evaluations method, as an efficient tool for structural reliability analysis, and an efficient optimization algorithm for optimal structural design. The probability of failure is calculated considering excessive base displacement, superstructure inter-storey drifts, member stress ratios and absolute accelerations of floors of the isolated building as failure events. The behavior of rubber bearing isolators is modeled using nonlinear hysteretic model and the variability of future earthquakes is modeled by applying a probabilistic approach. The effects of pulse component of stochastic near-fault ground motions, fixity-factor of semi-rigid beam-to-column connections, values of isolator parameters, earthquake magnitude and epicentral distance on the performance and safety of semi-rigidly connected base-isolated steel framed buildings are studied. Suitable RBDO examples are solved to illustrate the results of investigations.
Performance of a prototype base isolated building located at Indian Institute of Technology, Guwahati (IITG) has been studied here. Two numbers of three storeyed single bay RCC framed prototype buildings were constructed for experimental purpose at IITG, one supported on conventional isolated footings and the other on a seismic isolation system, consisting of lead plug bearings. Force balance accelerometers and a 12 channel strong motion recorder have been used for recording building response during seismic events. Floor responses from these buildings show amplification for the conventional building while 60 to 70% reduction has been observed for the isolated building. Numerical models of both the buildings have been created in SAP2000 Nonlinear. Infill walls have been modeled as compression struts and have been incorporated into the 3D models using Gap elements. System identification of the recorded data has been carried out using Parametric State Space Modeling (N4SID) and the numerical models have been updated accordingly. The study demonstrates the effectiveness of base isolation systems in controlling seismic response of isolated buildings thereby leading to increased levels of seismic protection. The numerical models calibrated by relatively low level of earthquake shaking provides the starting point for modeling the non-linear response of the building when subjected to strong shaking.
The purpose of this paper is to propose a simple analysis method of axial deformation of base-isolation rubber bearings in a building subjected to earthquake loading and present its applicability to the analysis of the bound of the aspect ratio of base-isolated buildings. The base shear coefficient is introduced as a key parameter for the bound analysis. The bound of the aspect ratio of base-isolated buildings is analyzed based on the relationship of the following four quantities; (i) ultimate state of the tensile stress of rubber bearings based on a proposed simple recursive analysis for seismic loading, (ii) ultimate state of drift of the base-isolation story for seismic loading, (iii) ultimate state of the axial compressive stress of rubber bearings under dead loads, (iv) prediction of the overturning moment at the base for seismic loading. In particular, a new recursive analysis method of axial deformation of rubber bearings is presented taking into account the nonlinear tensile behavior of rubber bearings and it is shown that the relaxation of the constraint on the ultimate state of the tensile stress of rubber bearings increases the limiting aspect ratio.
The current paper investigates the effect of the seismic pounding of neighboring buildings on the response of structures isolated by Triple Friction Pendulum Bearing (TFPB). To this end, a symmetric three-dimensional single story building is modeled for analysis with two specified levels of top deck and base deck, to capture the seismic response of the base isolators and building's roof. Linear elastic springs with different level of gaps are employed to calculate the impact between the buildings. Nonlinear Dynamic Time History Analyses (NDTHA) are conducted for seismic evaluation. Also, five different sizes with four different sets of friction coefficients are assumed for base isolators to cover a whole range of base isolation systems with various geometry configurations and fundamental period. The results are investigated in terms of base shear, buildings' drift and top deck acceleration of the superstructure. The results also indicate the profound effect of the stiffness of the adjacent buildings on the value of the impact they impose to the superstructure. Also, in situations of potential pounding, the increment of the fundamental period of the TFPB base isolator could intensify the impact force up to nearly five-fold.
The gap provided between adjacent structures in the metropolitan cities is mostly narrow due to architectural and financial issues. Consequently, structural pounding occurs between adjacent structures during earthquakes. It causes damages, ranging from minor local to more severe ones, especially in the case of seismically isolated buildings, due to their higher displacements. However, due to the increased flexibility of isolated buildings, the problem could become more detrimental to such structures. The effect of the seismic pounding of moat walls on the response of buildings isolated by Triple Friction Pendulum Bearing (TFPB) is investigated in this paper. To this propose, two symmetric three-dimensional models, including single-story and five-story buildings, are modeled in Opensees. Nonlinear Time History Analyses (NTHA) are performed for seismic evaluation. Also, five different sizes with four different sets of friction coefficients are considered for base isolators to cover a whole range of base isolation systems with various geometry configurations and fundamental period. The results are investigated in terms of base shear, buildings' drift, and roof acceleration. Results indicated a profound effect of poundings against moat walls. In situations of potential pounding, in some cases, the influence of impact on seismic responses of multistory buildings was more remarkable.
Since the isolation bearings undergo large displacements in base-isolated structures, impact with adjacent structures is inevitable. Therefore, in this investigation, the effect of impact on seismic response of isolated structures mounted on double concave friction pendulum (DCFP) bearings subjected to near field ground motions is considered. A non-linear viscoelastic model of collision is used to simulate structural pounding more accurately. 2-, 4- and 8-story base-isolated buildings adjacent to fixed-base structures are modeled and the coupled differential equations of motion related to these isolated systems are solved in the MATLAB environment using the SIMULINK toolbox. The variation of seismic responses such as base shear, displacement in the isolation system and superstructure (top floor) is computed to study the impact condition. Also, the effects of variation of system parameters: isolation period, superstructure period, size of seismic gap between two structures, radius of curvature of the sliding surface and friction coefficient of isolator are contemplated in this study. It is concluded that the normalized base shear, bearing and top floor displacement increase due to impact with adjacent structure. When the distance between two structures decreases, the base shear and displacement increase comparing to no impact condition. Besides, the increase in friction coefficient difference also causes the normalized base shear and displacement in isolation system and superstructure increase in comparison with bi-linear hysteretic behavior of base isolation system. Totally, the comparison of results indicates that the changes in values of friction coefficient have more significant effects on 2-story building than 4- and 8-story buildings.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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